Nghiên cứu phương pháp đồng bộ cho hệ thống mimo MC CDMA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC ĐỒNG BỘ CHO
HỆ THỐNG MIMO MC - CDMA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG

Hà Nội – Năm 2014


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

LỜI NĨI ĐẦU
Con người ln có nhu cầu được trao đổi thơng tin.Với sự phát triển nhanh
chóng của xã hội thì nhu cầu trao đổi thơng tin và yêu cầu về chất lượng thông tin càng
cao. Để nâng cao chất lượng (tốc độ dữ liệu, độ tin cậy của thơng tin …) trong viễn
thơng có nhiều giải pháp như: nâng cấp chất lượng đường truyền, nghiên cứu các
phương thức điều chế mới, tăng công suất thu phát của hệ thống. Tuy nhiên để có
phương pháp tối ưu (vừa đảm bảo chất lượng thông tin, vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế)
thì việc nghiên cứu ra các loại mã, các phương pháp điều chế và nhất là đồng bộ giữa
các hệ thơng mới là một giải pháp thích hợp.
Dung lượng yêu cầu ngày càng lớn, tốc độ dữ liệu ngày càng cao, trong khi
băng thơng lại có giới hạn. Yêu cầu này khiến cho hệ thống đa đầu vào - đa đầu ra

MIMO (Multi Input- Multi Output ) được nghiên cứu và đã đem lại nhiều thành công
đáng kể. Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát, đa anten thu, áp dụng kỹ thuật phân
tập và mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không
phải tăng công suất phát hay băng thông.
Trong bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến nào, dải băng tần ln bị giới hạn bởi
nhiễu. Vì vậy, việc chia sẻ kênh truyền để nhiều người có thể sử dụng đồng thời là một
nhu cầu cấp thiết. Vì thế các kỹ thuật đa truy nhập ra đời. Kỹ thuật FDMA ra đời đầu
tiên sau đó đến kỹ thuật TDMA và ngày nay, kỹ thuật CDMA, dựa trên nguyên lý trải
phổ và được sử dụng rộng rãi cho thông tin vô tuyến trên toàn thế giới. CDMA đã
chứng tỏ được khả năng vượt trội so với các kỹ thuật tương tự và số khác. Trong nội
dung của luận văn sẽ trình bày về nguyên lý CDMA, kỹ thuật trải phổ trong CDMA.
Chúng được sử dụng phổ biến trong hệ thống MC-CDMA.
Khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống MIMO hệ thống MC-CDMA đem lại
những tiềm năng ứng dụng to lớn cho hệ thống thông tin hiện nay, nên việc kết hợp
chúng thành một hệ thống hệ thống MIMO MC - CDMA là một giải pháp vô cùng quan
trọng cho sự phát triển 4G, việc đồng bộ rất quan trọng. Và đó cũng là lý do em lựa

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

1


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

chọn đề tài cho luận văn của mình là: “Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống
MIMO MC-CDMA”

Trong quá trình làm luận văn, em đã nhận được sự hướng dẫn chu đáo và
tận tình của thầy PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung. Em xin chân thành cảm ơn thầy đã
giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Do kiến thức cịn nhiều hạn chế,

nên nội dung trình bày của luận khơng tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận
được sự đánh giá phê bình của các thầy cô.
Hà Nội, ngày 1 tháng 3 năm 2014
Học viên thực hiện
Nguyễn Văn Trường

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

2


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................1
MỤC LỤC ......................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................................6
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................11
1.1 Giới thiệu .................................................................................................................11
1.2 Mục đích ..................................................................................................................12
1.3 Nội dung đề tài ........................................................................................................12
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG MIMO VÀ MIMO MC-CDMA ...................................13
2.1. Hệ thống MIMO ....................................................................................................13
2.1.1 Giới thiệu chương ................................................................................................ 13
2.1.2. Khái niệm và mơ hình hệ thống MIMO ............................................................. 13
2.1.3. Hạn chế của kênh truyền không dây................................................................... 15
2.1.4. Ưu điểm hệ thống ............................................................................................... 16
2.1.5. Cơ sở lý thuyết MIMO ........................................................................................ 17
2.1.5.1. Kỹ thuật phân tập..............................................................................................17

2.1.5.2. Độ lợi hệ thống MIMO .....................................................................................19
2.1.6. Dung lượng kênh MIMO ..................................................................................... 21
2.1.6.1. Dung lượng hệ thống SISO ..............................................................................21
2.1.6.2. Dung lượng kênh SIMO ...................................................................................21
2.1.6.3. Dung lượng kênh MISO ...................................................................................22
2.1.6.4. Dung lượng hệ thống MIMO............................................................................22

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

3


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

2.1.7. Phương pháp mã hóa khơng gian thời gian ......................................................... 28
2.1.7.1. Giới thiệu ..........................................................................................................28
2.1.7.2. Mơ hình hệ thống.............................................................................................29
2.1.7.3. Mã khối không gian - thời gian STBC .............................................................30
2.1.7.4. Mã lưới không gian - thời gian STTC .............................................................35
2.1.7.5. So sánh STBC và STTC ...................................................................................42
2.1.7.6. Mã BLAST .......................................................................................................42
2.1.8. Hệ thống anten MIMO ........................................................................................ 46
2.2. Hệ thống CDMA....................................................................................................47
2.2.1 Giới thiệu..... ......................................................................................................... 47
2.2.2 Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) ..................... 48
2.2.3 Kỹ thuật trải phổ ................................................................................................... 49
2.2.3.1 Giới thiệu ...........................................................................................................49
2.2.3.2 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản ..............................................................................50
2.2.3.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số ..............................................53
2.2.3.4 Các chuỗi trải phổ cơ bản ..................................................................................55

2.2.4 Hiệu năng của các hệ thống DS/SS ..................................................................... 57
2.2.4.1 Ảnh hưởng của tạp âm trắng .............................................................................57
2.2.4.2 Ảnh hưởng của nhiễu giao thoa .........................................................................59
2.2.4.3 Truyền đa tia ......................................................................................................60
2.2.5 Hệ thống DS – CDMA (Direct Spread – Code Division Multiple Access) ........ 61
2.3. Hệ thống MIMO MC - CDMA .............................................................................65
2.3.1 Tổng quan…. ....................................................................................................... 65
2.3.2. Hệ thống MIMO MC-CDMA ............................................................................. 68

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

4


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

CHƯƠNG 3: ĐỒNG BỘ CHO HỆ THỐNG MIMO MC - CDMA .......................74
3.1 Giới thiệu .................................................................................................................74
3.2 Đồng bộ cho hệ thống DS-CDMA ..........................................................................81
3.2.1. Nguyên lý……. .................................................................................................... 81
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiễu nhiệt .................................................................................. 82
3.3 Đồng bộ trong hệ thống MIMO MC - CDMA.......................................................83
3.3.1. Đồng bộ cho hệ thống DS .................................................................................... 83
3.3.1.1. Nguyên lý ..........................................................................................................83
3.3.1.2 Đồng bộ hệ thông MIMO MC-CDMA ............................................................84
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ......................................................................86
4.1. Một số kết quả mơ phóng về hệ thống vơ tuyến ...................................................86
4.2 Mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO MC - CDMA .......................................88.
KẾT LUẬN ..................................................................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................92

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

5


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2. 1: Hình trực quan của hệ thống MIMO ............................................................13
Hình 2. 2: Hệ thống MIMO ...........................................................................................14
Hình 2. 3: Minh họa phân tập thời gian .........................................................................18
Hình 2. 4: Ghép kênh giúp tăng tốc độ truyền dẫn.......................................................20
Hình 2. 5: Phân tập khơng gian giúp cải thiện chất lượng hệ thống .............................20
Hình 2. 6: N kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song ................................................24
Hình 2. 7: Hệ kênh truyền nhiễu trắng song song tương đương ...................................25
Hình 2. 8: Sơ đồ hệ thống MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu ...............................25
Hình 2. 9: Định lý Waterfalling .....................................................................................26
Hình 2. 10: Phân bố cơng suất khi SNR cao .................................................................27
Hình 2. 11: Phân phối cơng suất khi SNR thấp .............................................................27
Hình 2. 12: Sơ đồ hệ thống MIMO và mã khơng gian thời gian...................................30
Hình 2. 13: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu ..............................................31
Hình 2. 14 Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti ............................................31
Hình 2. 15: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu .............................................32
Hình 2. 16: Cấu trúc bộ mã STTC .................................................................................37
Hình 2. 17: Bộ mã hóa STTC cho hệ thống 2 anten phát..............................................39
Hình 2. 18: Mã STTC với 2 anten phát và 4 trạng thái .................................................40
Hình 2. 19: Mơ hình máy phát H-BlAST ......................................................................44
Hình 2. 20: Mơ hình máy phát V – BLAST ..................................................................44
Hình 2. 21: Mơ hình máy phát D-BLAST .....................................................................45

Hình 2. 22: Mơ hình đồ thị phương hướng anten MIMO .............................................47

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

6


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

Hình 2. 23: Quá trình trải phổ và nén phổ trong kỹ thuật CDMA ................................48
Hình 2. 24: Hệ thống thơng tin trải phổ.........................................................................49
Hình 2. 25: Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế DS - SS ............................................51
Hình 2. 26: Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ ..................................................52
Hình 2. 27: Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ ................................53
Hình 2. 28: Phổ của tín hiệu FH – SS............................................................................53
Hình 2. 29: Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH - SS...............................................54
Hình 2. 30: Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian .................................54
Hình 2. 31: Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH - SS ..............................................55
Hình 2. 32: Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên.........................................................56
Hình 2. 33: Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS ..............................................56
Hình 2. 34: Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu DS/SS BPSK ......................................59
Hình 2. 35: Mơ hình đơn giản của một hệ thống DSSS gồm K người sử dụng chung
một băng tần với cùng một sóng mang fc và điều chế BPSKError!

Bookmark

not

defined.
Hình 2. 36: FER và PEP hiệu suất của hệ thống MIMO MC-CDMA khi truy cập tối

đa. ..................................................................................................................................69
Hình 2. 37: Hiệu suất BER hệ thống MIMO MC-CDMA và MIMO OFDMA truy cập
tối đa và truy cập khơng tối đa ......................................................................................70
Hình 2. 38: FER và PEP thực hiện hệ thống

MIMO MC-CDMA và MIMO

OFDMA khi truy cập tối đa. ........................................................................................71
Hình 2. 39: Hiệu suất BER của MIMO MC-CDMA và MIMO OFDMA . ..................72
Hình 3. 1: Minh họa về ba cơ chế truyền sóng vơ tuyến chính .....................................77
Hình 3. 2: Fading Rayleigh khi máy thu di chuyển tại tần số 900MHz ........................78
Hình 3. 3: Sự trải trễ đa đường ......................................................................................80
Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

7


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

Hình 3. 4: Dạng sóng của d(t), g(t) và d(t)g(t) .............................................................81
Hình 3. 5: Dạng sóng của d(t), g(t) và d(t)g(t) .............................................................84
Hình 3. 6: Quá trình trải phổ thu và phát ..................................................................84
Hình 3. 7: Hiệu suất BER của hệ thống MIMO MC-CDMA trường hợp lượng người
dùng truy cập tối đa và khơng tối đa. ............................................................................85
Hình 4. 1: Các hệ thống vơ tuyến ..................................................................................86
Hình 4. 2: Hệ thống MIMO ...........................................................................................87
Hình 4. 3: Hệ thống MIMO-VBLAST ..........................................................................87
Hình 4. 4: Hệ thống MIMO-VBLAST đa anten ...........................................................88
Hình 4. 5: Hiệu suất của hệ thống MIMO MC- CDMA khi có nhiều người cùng truy
cập ..................................................................................................................................89

Hình 4. 6: Tỷ lệ lỗi bít của MIMO MC-CDMA v à MIMO OFDMA khi có nhiều
người cùng truy cập .......................................................................................................90

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

8


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT TẮT

NỘI DUNG

Ý NGHĨA

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit.

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

C/I

Carrier to Interference Ratio

Tỷ số sóng mang trên
nhiễu

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

(I)DFT

(Inverse) Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc
(ngược)

DSP

Digital Signal Processing

Bộ xử lý tín hiệu số

FDD

Frequency Division Duplexing

Ghép kênh song cơng
phân chia theo tần số

FDM

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia
theo tần

FDMA

Frequency Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia
theo tần số

FIR

Finite Impulse Response

Đáp ứng xung hữu hạn

GI

Guard Interval

Dải bảo vệ

ICI

Inter Channel Interference

Nhiễu xuyên kênh

(I)FFT

(Inverse) Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh
thuận (đảo)

ISI

Intersymbol Interference

Nhiễu xuyên ký tự

LS

Least Square

Bình phương nhỏ nhất.

LMMSE

Least Minimum Mean Squared Error

Lỗi quân phương tối
thiểu tuyến tính

LOS

Line of Sight

Tuyến truyền dẫn thẳng

MUX

Multiplex

Đa hợp

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

9


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

MMSE

Minimum Mean Squared_Error

Lỗi quân phương tối

thiểu

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu
ra

NLOS

Khơng có tuyến truyền

Non Line Of Sight

dẫn thẳng
OFDM

Orthogonal

Frequency

Division Ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao

Multiplexing
OFDMA

PAPR

Orthogonal

Frequency

Division Đa truy cập phân chia

Multiplexing Access

theo tần số trực giao

Peak_to_Average Power Ratio (PAR)

Tỷ số công suất đỉnh trên
công suất trung bình

PN

Pseudo Noise

Chuỗi giả ngẫu nhiên

PSK

Phase Shift Keying

Điều chế số dịch pha

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều biên cầu phương

UMTS

Universal Mobile Telecommunnication Hệ thống thơng tin di

(Q)PSK

System

động đa năng

(Quadrature) Phase-Shift Keying

Khóa dịch pha (vng
góc)

SER

Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi Symbol (kí hiệu)

SNR

Signal to Noise Rate

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

TDD

Time Division Duplexing

Ghép song cơng phân
chia thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia
theo thời gian

WLAN

Wireless Local Area Network

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

Mạng không dây nội bộ

10


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
Tổ chức chuẩn hóa mạng cơng nghệ thơng tin thế hệ thứ ba (3GPP) công nghệ

truyền thông không dây cho các mạng di động đã tiến triển nhanh chóng trong thập kỷ
qua. Phát triển từ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA) và truy cập
gói tốc độ cao (HSPA) để phát triển lên (LTE), mục tiêu cuối cùng của các tiêu chuẩn
này đã được tăng đáng kể về tốc độ truyền tải dữ liệu để đáp ứng nhu cầu của các dịch
vụ không dây mới nhất chẳng hạn như mạng di động, điện thoại video, và đa phương
tiện chất lượng cao. Mục tiêu nói trên vẫn giữ nguyên cho các công nghệ trong tương
lai. Phát minh của hệ thống ăng-ten nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) và ứng dụng
của hệ thống MIMO có thể phát triển tuyến tính với số lượng ăng-ten truyền miễn là
số lượng ăng-ten nhận được là lớn hơn hoặc bằng số của truyền ăng-ten truyền. Phát
hiện này đảm bảo một sự gia tăng tuyến tính tốc độ dữ liệu với số lượng các ăng-ten
truyền mà không làm tăng băng thông truyền tải hoặc tổng công suất phát. Trong
những năm qua rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện khai thác tiềm năng sẵn có của
các hệ thống MIMO. Đặc biệt, các phịng thí nghiệm khơng gian-thời gian (V -BLAST
) (còn được gọi là lệnh hủy bỏ sự can thiệp liên tiếp ( OSIC ) ) có thể nhận ra tốc độ
truyền tải dữ liệu rất cao bằng cách sử dụng ghép kênh không gian để khai thác nhiều
khơng gian kênh truyền. Ngồi ra, các thí nghiệm trong phịng thí nghiệm cho V BLAST đã chứng minh khả năng của nó với tốc độ 20 - 40 bit / s / Hz trong điều kiện
trong nhà với SNR và và mã giá ngẫu nhiên PN. Do đó, V -BLAST được coi là một
ứng dụng mạnh mẽ cho hệ thống truyền thông không dây trong tương lai.
Một vấn đề lớn trong truyền thơng khơng dây chính là tốc độ truyền dữ liệu cao
bị hạn chế bởi hiện tượng fading đa đường. Tín hiệu suy giảm là do sự giao thoa của
các tín hiệu hoặc các tín hiệu bị che khuất bởi các vật trên đường truyền. Fading lựa
chọn tần số là một trong những loại nhiễu xuyên kênh ký tự (ISI) tạo ra do thời gian
trễ giữa các ký tự truyền trong kênh. ISI gây ra suy giảm hiệu suất đáng kể của hệ
thống truyền tốc độ dữ liệu cao, công nghệ thực hiện tốt dưới kênh fading phải được

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

11

Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

sử dụng. Truy nhập Phân chia theo mã đa sóng mang (MC-CDMA), là một cơng nghệ
đầu tiên được đưa vào để thực hiện chọn lọc kênh tần số tốt cho hệ thống. Nó cho phép
nhiều người dùng truy cập không dây đồng thời một lúc, trên miền tần số sử dụng
chuỗi truyền dẫn khác nhau. MC-CDMA kết hợp với hệ thống đa truy cập phân chia
theo tần số trực giao (OFDM) để tránh hiện tượng fading đa đường, để nâng cao sự đa
dạng trong chọn lọc tần số. Trong khi với các kỹ thuật MIMO như kiến trúc VBLAST, MC-CDMA có thể đạt tốc độ truyền tải dữ liệu rất cao trong môi trường đa
tán xạ mà không làm tăng băng thơng truyền tải của hệ thống.

1.2

Mục đích
Tìm hiểu hệ thống MIMO MC - CDMA.
Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC – CDMA.
Xây dựng mơ hình tính tốn.
Tổng hợp các phương pháp tính tốn và đưa ra đề xuất.
Mô phỏng hệ thống.

1.3

Nội dung đề tài
Nội dung đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan. Giới thiệu về luận văn, nội dung luận văn, mục đích của

luận văn.
Chương 2: Hệ thống MIMO và MIMO MC – CDMA. Đây là chương lý thuyết
cơ sở của luận văn, chương này trình bày tổng quan về hệ thống MIMO, MC- CDMA,
MIMO MC-CDMA và sự kết hợp của các hệ thống này.
Chương 3: Đồng bộ trong hệ thống MIMO MC – CDMA. Chương này trình

bày về vấn đề đồng bộ, đồng bộ cho hệ thống DS-CDMA, MC – CDMA và hệ thống
MIMO MC - CDMA.
Chương 4: Kết quả mô phóng. Đưa ra một số kết quả mơ phóng trong phần lý
thuyết của luận văn.

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

12


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG MIMO VÀ
MIMO MC-CDMA
2.1. Hệ thống MIMO
2.1.1 Giới thiệu chương
Sự phát triển của thông tin vơ tuyến dẫn đến việc địi hỏi cao về tốc độ truyền
dữ liệu cũng như chất lượng truyền. Hai chỉ tiêu kỹ thuật này bị hạn chế bởi nhiều yếu
tố khác như: tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm, giá thành thuê cao... Hơn nữa bản
thân mỗi đường truyền luôn tồn tại các yếu tố: fading, nhiễu liên ký hiệu ISI, nhiễu
đồng kênh ICI, tạp âm...Việc tăng công suất phát một cách vơ hạn là khơng thể vì nó
bị giới hạn bởi chỉ tiêu kỹ thuật của thiết bị. Khi mà việc xử lý tín hiệu số ở miền thời
gian, tần số đã lên tới mức giới hạn mà vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu thì kỹ thuật
MIMO được dùng để giải quyết bài toán trên dựa vào việc lợi dụng khả năng ghép
kênh khơng gian.

Hình 2. 1: Hình trực quan của hệ thống MIMO
2.1.2. Khái niệm và mơ hình hệ thống MIMO
Hệ thống non-MIMO liên hệ với kênh truyền thơng qua nhiều dải tần số cịn hệ
thống MIMO thì có nhiều kênh và hoạt động trên cùng một dải tần.

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

13


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

Hệ thống MIMO là một hệ thống mà máy phát và máy thu đều sử dụng nhiều
anten. Anten máy phát và anten ở máy thu đều cách nhau ở một khoảng cách nhất
định.
v1

c1

h1,1
h1,2
h1,n

c2

h2,1
h2,2
h2,n

..
.
..
.

y1

hm ,1
hm ,2
hm ,n

cm

v2
y2

...
..
.

vm
ym

Hình 2. 2: Hệ thống MIMO
Trong mơ hình MIMO, ta giả sử rằng:
- Các symbol c = (c1 , c2 ,..., cn )T được truyền từ anten từ những khoảng thời gian
cho trước.
- Máy thu thu ở các khe thời gian y = ( y1 , y2 ,..., yn )T , yi là sự tổng hợp của các
tín hiệu được truyền c = (c1 , c2 ,..., cn )T và thành phần AWGN vi hi , j là các hệ số kênh
truyền giữa anten phát thứ i và anten thu thứ j.
- Mối quan hệ đầu ra và đầu vào của hệ thống ( n + m ) anten có thể được viết như
sau:

 y1 
M 

=
 
 yn 

y
hay : =

 h1,1 K

 M O
h
 m ,1 L

h1,n  c1  v1 

M  M  + M 
hm ,n  cn  vn 

( 2.1)

Hc + v

Với H: ma trận kênh.

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

14


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

2.1.3. Hạn chế của kênh truyền không dây
Việc truyền tín hiệu RF giữa hai anten sẽ chịu sự tổn thất năng lượng trong
không gian. Điều này làm giảm đáng kể đến sự hoạt động của đường truyền. Sự tổn
thất năng lượng giữa máy phát và máy thu là kết quả của ba hiện tượng khác nhau:
- Sự suy giảm phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đường truyền hay tổn hao
không gian tự do.
- Sự hấp thụ của các phân tử khí quyển trái đất.
- Sự suy giảm do hiện tượng pha-đinh gây ra.
Sự hấp thụ của khí quyển là do các electron, phân tử hơi nước khơng ngưng và
phân tử của các loại khí.
Tổn hao đường truyền là sự suy giảm về mặt lý thuyết. Sự tổn hao này xảy ra
dưới điều kiện LOS tự do và tổn hao này tăng theo máy phát và máy thu. Pha-đinh là
sự suy giảm biến thiên giữa max và min một cách không đều đặn. Khi thiết bị đầu cuối
di chuyển qua một khu vực nào có nhiều chướng ngại vật, có kích thước khác nhau, ví
dụ: đồi, núi, toà nhà, hầm … Những chướng ngại vật này sẽ che phủ hay cắt hồn tồn
tín hiệu. Mặc dù kết quả của hiệu ứng này phụ thuộc vào kích cỡ của vật chắn và
khoảng cách đến nó. Do vậy, cường độ của tín hiệu thu được biến thiên một cách tất
yếu. Loại pha-đinh này gọi là shadow phađinh. Cách khắc phục là đặt các trạm BS cao
và gần nhau thì ta có thể tránh được các vật cản trong khi truyền dẫn.
Ngồi ra cịn có các loại pha-đinh khác như: Rayleigh pha-đinh, multipath phađinh, shortterm pha-đinh. Đây cũng là các loại khác của hiện tượng pha-đinh gây ra sự
suy giảm của cường độ tín hiệu thu được.
Rayleigh pha-đinh là kết quả của việc thu vài tín hiệu của máy thu. Các tín hiệu
này được phản xạ từ nhiều vật và nhiều hướng khác nhau trong một khu vực. Do
khoảng cách khác nhau nên các tín hiệu thu được khác nhau về pha nên chúng có thể
làm tăng thêm hay làm triệt tiêu tín hiệu tổng hợp. Sự di chuyển của các thiết bị đầu
cuối cũng gây ra sự biến thiên khơng thể dự đốn được của pha, tín hiệu theo thời gian
làm cho sự suy giảm biến thiên mạnh. Rayleigh pha-đinh thường có trong khu vực đơ

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

15


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

thị. Hiện tượng pha-đinh sâu thường xảy ra ở các vùng tần số cao và khi các thiết bị di
chuyển nhanh. Để tránh hiện tượng pha-đinh sâu thì giá trị trung bình của các tín hiệu
thu được phải cao hơn vài dB so với độ nhạy máy thu.
Nhiễu xun Symbol (ISI): vì dải thơng của kênh nói chung bị hạn chế và khi
một xung được truyền qua kênh đó thì nó sẽ gây ra sự méo mó tín hiệu đang truyền
trong miền tần số. Tương tự, đó là sự tán sắc của xung theo thời gian và xung của mỗi
symbol sẽ tràn sang khoảng thời gian của mỗi symol kế tiếp. Loại nhiễu này được biết
đến là nhiễu xuyên symbol (ISI). Điều này làm gia tăng xác suất lỗi ở máy thu trong
việc dị tìm symbol. Rõ ràng rằng xung ở dải thông hạn chế được chọn để truyền dẫn
nhằm tránh sự méo trong miền tần số do kênh truyền có giải thơng hạn chế. Tuy nhiên,
sự cắt xén dải thơng của tín hiệu được truyền lại làm giảm xung trong miền thời gian.
Điều này sẽ gây ra sự chồng chéo của các symbol.
Nhiễu đồng kênh (CCI): ngoài nhiễu gây ra bởi kênh truyền, một loại nhiễu
khác cũng làm hạn chế hiệu quả hoạt động của hệ thống và công suất của hệ thống là
nhiễu đồng kênh (CCI). CCI tồn tại trong bất kỳ một hệ thống đang truy nhập nào.
Trong TDMA, SDMA, FDMA tần số được tái sử dụng nghĩa là có nhiều người sử
dụng cùng chia sẻ một băng tần ở cùng một thời điểm và do vậy những người sử dụng
cùng kênh chắc chắn tạo ra CCI lẫn nhau. Do vậy cần có sự cân bằng giữa hiệu suất
phổ và hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Tạp âm: ví dụ như tạp âm nhiệt làm giới hạn tỷ số SNR.
2.1.4. Ưu điểm hệ thống
Công suất cao ( bit/s /Hz ) vì với băng thơng đắt và hiếm, số lượng các trạm gốc
bị hạn chế, nhờ có việc sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu làm tăng tốc độ
truyền dữ liệu nhờ vào kỹ thuật phân kênh khơng gian trong khi đó khơng cần mở rộng

băng thơng.
Chất lượng truyền dẫn tốt hơn hay nói cách khác tỷ lệ lỗi bit giảm do sử dụng
nhiều anten bên thu giúp chống được pha-đinh. Và với việc sử dụng kỹ thuật dãy anten
có thể giúp giảm nhiễu.

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

16


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

Tăng độ bao phủ do nhờ vào kỹ thuật sử dụng dãy anten.
Độ lợi phân kênh không gian: độ lợi công suất thu được từ việc sử dụng nhiều
anten ở cả hai phía của kênh truyền vơ tuyến mà không cần tăng công suất máy phát
hay mở rộng băng tần.
Độ lợi phân tập: Nâng cao độ tin cậy kênh truyền bằng cách phát trùng dữ liệu
trên những nhánh pha-đinh độc lập.
Độ lợi dãy: được định nghĩa là giá trị trung bình của SNR
( E h12 + ... + E hN2 )σ s2 NE h12 σ s2
SNR
N SNR input
=
= =
2
2

σn

σs

Như vậy SNR đầu ra gấp N lần SNR đầu vào.
2.1.5. Cơ sở lý thuyết MIMO
2.1.5.1. Kỹ thuật phân tập
Kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để làm giảm ảnh hưởng của fading đa
đường và cải thiện độ tin cậy của kênh truyền mà không yêu cầu tăng cơng suất phát
hoặc băng tần cần thiết. Tại phía thu sẽ có nhiều bản sao tín hiệu, tất cả mang cùng
một thơng tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường fading.
Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận được hai hay nhiều bản sao tín
hiệu một cách độc lập thì các bản sao tín hiệu này cũng bị suy giảm độc lập với nhau.
Nên nếu một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thể khơng bị
suy giảm. Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh
hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền.
Phân tập có thể áp dụng được cho cả phía phát và phía thu. Phân tập phía phát
liên quan đến mã khơng gian – thời gian, bản sao tín hiệu được truyền đi từ các anten
khác nhau. Cịn phân tập phía thu cho phép thu được nhiều bản sao của cùng một tín
hiệu truyền. Các bản sao này chứa cùng một thơng tin nhưng có ít sự tương quan về
fading. Chúng được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu.

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

17


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thể được ứng dụng trong miền không gian,
sự phân cực của anten, miền tần số và miền thời gian.
2.1.5.1.1 Phân tập tần số
Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng

một thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một
cách độc lập. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán
để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau.
2.1.5.1.2 Phân tập thời gian
Phân tập thời gian có thể hiểu một cách trực quan là ta phát tín hiệu ở các
khoảng thời gian khác nhau thơng qua việc mã hóa và xen kênh. Phân tập thời gian có
thể đạt được bằng cách truyền các tín hiệu giống nhau qua các khe thời gian khác
nhau. Khoảng thời gian này ít nhất phải bằng thời gian nhất quán của kênh truyền.

ht

t
Khoâng xen kênh
Từ mã x0

Từ mã x1

Từ mã x2

Từ mã x3

Xen kênh

Hình 2. 3: Minh họa phân tập thời gian
Theo hình vẽ trên, ta có thể dễ dàng nhận thấy ưu điểm khi ta phát xen kênh so
với khi ta truyền ký hiệu liên tiếp. Khi truyền không xen kênh, từ mã x2 bị triệt tiêu
bởi fading. Nhưng ta vẫn có thể phục hồi tín hiệu lại trong trường hợp phát xen kênh.

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

18


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

Do tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hỗn trong việc giải mã, kỹ thuật
này thường hiệu quả trong mơi trường fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh
truyền nhỏ.
2.1.5.1.3 Phân tập không gian
Phân tập khơng gian cịn gọi là phân tập anten, sử dụng phổ biến trong truyền
thơng khơng dây dùng sóng viba. Phân tập không gian sử dụng nhiều anten hoặc
chuỗi anten được sắp xếp trong khơng gian tại phía phát hoặc phía thu. Khoảng cách
giữa các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho tín hiệu không
tương quan với nhau. Yêu cầu về khoảng cách các anten phụ thuộc vào độ cao anten,
môi trường lan truyền và tần số làm việc. Khoảng cách điển hình là khoảng vài bước
sóng là đủ để các tín hiệu khơng tương quan với nhau.
Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu được truyền từ nơi phát
đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền thời gian. Không giống như trong phân tập
thời gian và phân tập tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng
thơng. Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao.
2.1.5.2. Độ lợi hệ thống MIMO
Các hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát và thu có thể cung cấp 3 độ lợi đó
là: Độ lợi beamforming, độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập không gian.
2.1.5.2.1 Độ lợi beamforming
Độ lợi beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng
mong muốn, giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được các nhiễu từ
các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ
bao phủ của hệ thống. Để thể thực hiện được Beamforming, khoảng cách giữa các
anten trong hệ thống MIMO thường phải nhỏ hơn bước sóng λ , thơng thường là λ /2.
Beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ.

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

19


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

2.1.5.1.2 Độ lợi phân tập không gian
Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa anten phía phát và phía thu
trong hệ thống MIMO, tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời qua các anten, nhằm
tăng dung lượng hệ thống mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ
thống. Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song
trong hệ thống. Thuật toán V-BLAST ( Vertical- Bell Laboratories Layered SpaceTime) thường được áp dụng để đạt được độ lợi cực đại về ghép kênh khơng gian.

TX

RX

Hình 2. 4: Ghép kênh giúp tăng tốc độ truyền dẫn
2.1.5.1.3 Độ lợi phân tập
Trong truyền dẫn vơ tuyến, tín hiệu luôn luôn thay đổi, bị fading liên tục theo
không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định. Việc
phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền
chịu ảnh hưởng fading khác nhau. Bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp các tín hiệu này
để giảm thiểu tốc độ lỗi bit BER, chống fading… qua đó tăng độ tin cậy cho hệ thống.
Để đạt độ lợi phân tập cực đại, giảm BER, chống fading, thuật toán STBC ( SpaceTime Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng.

TX

RX

Hình 2. 5: Phân tập không gian giúp cải thiện chất lượng hệ thống

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

20


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

Thực tế, để hệ thống có dung lượng cao, BER thấp, chống được fading thì ta
phải có sự cân đối giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong thiết kế hệ thống.
2.1.6. Dung lượng kênh MIMO
2.1.6.1. Dung lượng hệ thống SISO
Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một
anten ở bên phát và một anten ở bên thu.
Theo lý thuyết Shannon, dung lượng kênh truyền theo lý thuyết là:

=
CSISO

f g log 2 (1 +

S
)
N

(2.2)

Trong đó:
fg : là băng thơng truyền dẫn
S
: tỷ số tín hiệu tạp âm
N

Như vậy, hầu hết sự nâng cao dung lượng kênh truyền đều phải dựa trên sự mở
rộng dải thông và sử dụng phương thức điều chế khác. Tuy nhiên, hiệu suất phổ không
thể không thể cải thiện đáng kể nhờ những yếu tố này.
2.1.6.2. Dung lượng kênh SIMO
Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, phía phát sử dụng một anten, phía thu sử
dụng đa anten. Trong hệ thống này, máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ
các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật
Beamforming hoặc Maximum Ratio Receive Combining (MRRC). Khi máy thu biết
thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng chậm theo hàm logarit của số anten
thu, có thể xấp xỉ theo biểu thức:

=
Csimo f g log 2 (1 + M

S
)
N

(2.3)

Với M là số lượng anten thu.

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

21


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

2.1.6.3. Dung lượng kênh MISO
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống
MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti để cải
thiện lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao
phủ. Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo
hàm logarit của số anten phát:

CMISO
=

f g log 2 (1 + M

S
)
N

(2.4)

M là số anten phát.
2.1.6.4. Dung lượng hệ thống MIMO
Dung lượng hệ thống MIMO phụ thuộc vào số lượng các anten. M là cực tiểu
của của MT ( số anten phát ) hoặc MR ( số anten thu ) và thể hiện số lượng dịng thơng
tin khơng gian. Ví dụ hệ thống 2x3 chỉ hỗ trợ 2 dịng thơng tin khơng gian, tương tự
với hệ thống 2x4.
Dung lượng hệ thống MIMO cho bởi phương trình sau:

S
=
CMIMO Mf g log 2 (1 + )
N

(2.5)

Dung lượng MIMO tăng tuyến tính với số lượng anten phát hoặc thu. Chùm
anten khơng đối xứng (ví dụ 2x1 hay 1x2) được xem như là phân tập phát hoặc thu.
Các cơng trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dung lượng của hệ thống thông tin vô
tuyến được tăng lên đáng kể khi sử dụng nhiều anten thu và phát.
Xét dung lượng kênh MIMO có phađinh Rayleigh chậm trong trường hợp cả
phân tập thu phát:
Giới hạn dưới:

C >W



P
log 2 1 +
, n ≥ nR
2
2  T
(
)(
)
n
σ

χ
i =nT − ( nR −1)
T
2 i 

nT

∑

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

(2.6)

22


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

Giới hạn trên:



P
2
C < W ∑ log 2 1 +
χ
(
)
2 nR i  , nT ≥ nR
2

σ
n
(
)
i =1


T
nT

nR
2 nR
2
2
i
2 nR
=i 1 =i 1

=
χ

Với:

=
h
∑
∑z

(2.7)

2

i

(P là công suất phát, W là băng thông, nR và nT lần lượt là số anten thu và phát, hi là
hệ số của ma trận kênh truyền H).
Có thể thấy rằng, dung lượng hệ thống MIMO được cải thiện đáng kể so với
trường hợp chỉ có một cặp anten thu phát truyền thống.
Ta sẽ nghiên cứu sâu hơn về dung lượng hệ thống MIMO.
Giả sử rằng, chúng ta có N kênh truyền một chiều song song bị các nguồn
nhiễu Gauss có phương sai σ 12 ,…, σ N2 có tác động như hình 2.6. Dung lượng mỗi kênh
đơn được tính theo định lý Shannon, dung lượng của hệ các kênh song song là tổng
dung lượng các kênh đơn:
N
N
Pn
σ n2 + Pn
µ
=
C B ∑ log 2 (1 +=
)
B
log
(
=
)
B
log
(
)

∑
∑
2
2
2
2
2
σ
σ
σ
=n 1 =
n 1 =
n 1
n
n
n
N

(2.8)
N

Với µ là hệ số nhân Lagrange được chọn sao cho tổng công suất phát là P = ∑ P .
n =1

Ma trận kênh truyền H của kênh MIMO định trước và được xem là bất biến
suốt thời gian và tổng công suất phát tín hiệu từ NT anten phát phía thu được giữ
khơng đổi là P.
Dung lượng kênh truyền phụ thuộc vào ma trận H và có thể được tính thơng
qua việc phân tách H thành một tập các kênh truyền con song song, theo phân bố
Gauss, độc lập và vô hướng.

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

23


Nghiên cứu phương thức đồng bộ cho hệ thống MIMO MC - CDMA

Hình 2. 6: N kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song
H = UDVH
Với U = C N

R ×NR

và V ∈ C N

T × NT

(2.9)

là các ma trận unitary ( U .U H = I N , V .V H = I N ),
R

T

D ∈ R N R × NT là ma trận đường chéo, với các hệ số thực không âm d1 ≥ d 2 ≥ K ≥ d N chính

là các giá trị đơn của ma trận H với N = min(NR, NT), hạng của H bằng với số trị đơn
khác khơng. Bình phương các trị đơn chính là các trị riêng λn của ma trận H.HH hay
HH.H

dn =

λn

(2.10)

Các trị riêng λn của ma trận H.HH hay HH.H được định nghĩa là vectơ thỏa mãn:

( HH + − λn I N R ) y =
0
với y ≠ 0

là vectơ ( N R × 1)

( HH + − λn I NT ) y =
0 với y ≠ 0 là vectơ ( NT ×1)
Để đơn giản, các trị riêng có thể được xác định theo biểu thức sau:

(W − λn I N ) y =
0
với y ≠ 0 là vectơ ( N × 1)
Với:

 HH H , N R < NT
W = H
 H H , N R > NT

Học viên: Nguyễn Văn Trường 2012B

(2.11)

24